基於自旋濾波器效應的自旋電晶體和利用自旋電晶體的非易失存儲器的製作方法

2023-08-11 17:07:06

專利名稱：基於自旋濾波器效應的自旋電晶體和利用自旋電晶體的非易失存儲器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型電晶體。更具體地說，本發明涉及一種具有取決於載流子自旋方向的輸出特性的電晶體和利用所述種電晶體的非易失存儲器電路(非易失存儲器)。
背景技術：
從工作速度和集成度的觀點看來，DRAM(動態隨機存取存儲器)已主要用作以微電腦為代表的電子設備用的半導體存儲器。在DRAM中，由於保持存儲器要消耗能量和斷電時所存儲的內容丟失的問題，難以滿足近年來節能和行動裝置的要求。為了滿足這樣的要求，重要的是一種除高速、高集成度和低功耗外，還具有非易失特性的新型存儲器。
作為一種可以實現工作速度和集成度等於DRAM的並具有非易失特性的下一代存儲器，注意力集中在MRAM(磁阻隨機存取存儲器)上。MRAM按照鐵磁物質的磁化方向存儲信息並通過自旋閥裝置的巨磁阻效應或磁隧道結(MTJ)的隧道磁阻(TMR)效應在電氣上按照其磁化方向讀取信息。使用鐵磁物質的MRAM可以在不消耗能量的情況下以非易失方式保存信息。


圖17(A)和17(B)是表示利用MTJ的MRAM的典型單元結構的簡圖。如圖17(A)所示，在所述MRAM中，一位存儲單元由一個MTJ和一個MOS(金屬氧化物半導體)電晶體構成。所述MOS電晶體的柵極連接到讀出字線，其源極接地，其漏極連接到MTJ的一端，而MTJ的另一端連接到位線。
如圖17(B)所示，MTJ具有隧道結結構，後者具有插入兩個鐵磁電極之間的薄的絕緣膜，並且所述MTJ具有TMR效應，其中隧道電阻按照兩個鐵磁電極的相對磁化方向而不同。具體地說，當兩個鐵磁電極具有平行的磁化時和當它們具有反平行磁化時TMR的變化速率稱為TMR比率，用以計算TMR的效應。
MRAM採用以下方法來存儲信息利用由流入位線和與其正交的重寫字線(未示出)的電流感生的合成磁場，使MTJ的磁化狀態，也就是說，兩個鐵磁電極的相對磁化方向可以是平行磁化或是反平行磁化。
為了讀出存儲在指定單元的存儲信息，向連接所述單元的指定讀出字線施加一個電壓，以便使MOS電晶體導通，讀出電流(以下稱為″驅動電流″)從連接所述單元的指定位線流到MTJ，而把基於TMR效應的MTJ的電壓降作為輸出電壓檢測出來，以便讀出所述存儲的信息。

發明內容
利用MTJ的MRAM使用鐵磁物質，以便具有非易失、低功耗和高速的特性。所述單元的結構已被簡化，以便適用於高密度集成。MRAM預期作為下一代非易失存儲器。為了實現這一點，需要解決以下問題。
(1)MTJ具有與平行磁化和反平行磁化狀態對應的二進位電阻值。MRAM使驅動電流流到MTJ，以便以輸出電壓的形式檢測所述電阻值。為了獲得高的輸出電壓，必須調整MTJ絕緣膜的厚度以便優化所述隧道電阻。因為TMR比率取決於所述絕緣膜的厚度，所以隧道電阻的優化受到限制。
(2)為了精確地讀出存儲器的信息內容，所述TMR比率必須大，以便增大平行磁化和反平行磁化兩個磁化狀態的輸出電壓比率。為了實現高的TMR比率，必須使用具有大的自旋偏振率的鐵磁物質來優化形成方法、材料和絕緣層的膜厚。
(3)在利用MTJ的MRAM中，施加在MTJ上的偏置必須大，以便提高工作速度。MTJ在原理上具有不可避免的問題，當鐵磁電極之間引起的電壓降增大時，TMR比率降低。基於TMR的輸出電壓的改變速率隨著在MTJ中引起的電壓降增大而降低。所述現象是TMR效應本身造成的。只要磁化狀態只根據TMR效應讀出，這是難以避免的。
總結上述問題，為了在MTJ中以高的靈敏度檢測存儲信息，必須調整MTJ的阻抗(結電阻)，以便優化輸出電壓的振幅。另外，所述TMR比率必須大，以便增大平行磁化和反平行磁化兩個磁化狀態輸出信號的比率。為使TMR比率不會由於偏置而減少，TMR比率的偏置電阻是必不可少的。
若輸出信號可以不管存儲裝置的特性而通過存儲裝置以外的外圍電路自由設計，則上述所有問題都可以解決。
本發明的一個目的是提供一種非易失存儲器，它按照磁化狀態把信息存儲在包括在電晶體中的鐵磁物質中，並利用所述電晶體的取決於載流子的自旋方向的輸出特性來讀取所述信息。
按照本發明的一個觀點，提供一種具有自旋注入器和自旋分析器的電晶體，所述自旋注入器通過自旋濾波效應來注入自旋偏振熱載流子，而所述自旋分析器用以通過所述自旋濾波效應選擇注入的自旋偏振熱載流子。可以根據自旋偏振熱載流子的自旋方向來控制所述電晶體的輸出特性。
自旋注入器最好具有第一鐵磁阻擋層；與第一個鐵磁阻擋層一個端面結合的第一非磁性電極層；以及與第一個鐵磁阻擋層另一個端面結合的第二非磁性電極層。
自旋分析器最好具有第二鐵磁阻擋層；與第二鐵磁阻擋層一個端面結合的所述第二非磁性電極層；以及與第二鐵磁阻擋層另一個端面結合的第三非磁性電極層，所述自旋分析器與所述自旋注入器共享第二非磁性電極層。
第一和第二鐵磁阻擋層最好包括絕緣的鐵磁半導體或鐵磁絕緣體，並且鐵磁阻擋層的能帶邊緣是通過自旋分裂由上自旋能帶和下自旋能帶中的任何一種構成的。第二非磁性電極層的厚度最好小於第二非磁性電極層的自旋偏振熱載流子的平均自由程。
自旋注入器對於具有平行於構成第一鐵磁阻擋層能帶邊緣的自旋能帶的自旋的載流子，具有大的隧穿機率，而對於具有與其反平行的自旋的載流子，具有小的隧穿機率。可以把具有平行於構成第一鐵磁阻擋層能帶邊緣的自旋能帶的自旋的載流子作為熱載流子從第一非磁性電極注入第二非磁性電極層。
當注入第二非磁性電極的自旋偏振熱載流子的自旋方向平行於第二鐵磁阻擋層能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向時，自旋分析器通過在第二鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋分裂把自旋偏振熱載流子導通到第三非磁性電極層，而當所述自旋偏振熱載流子的自旋方向與第二鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向反平行時，不把自旋偏振熱載流子導通到第三鐵磁電極。
相同偏置下所述電晶體的輸出特性取決於第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向。當第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層具有平行磁化時，電流傳輸係數或電流放大係數高。當它們具有反平行磁化時，電流傳輸係數或電流放大係數低。
提供一種非易失存儲器電路，按照第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向存儲信息，並根據取決於所述磁化狀態的電晶體輸出特性讀取信息。所述存儲器電路可以只用所述電晶體構成存儲單元。
按照本發明的另一個方面，提供一種非易失存儲器電路，它具有利用自旋電晶體按照鐵磁物質的磁化方向存儲信息的裝置，所述自旋電晶體包括一種其輸出特性取決於載流子自旋方向的鐵磁物質；和根據輸出特性在電氣上讀取存儲在所述自旋電晶體中的信息的裝置。
所述自旋電晶體最好具有能夠獨立地控制磁化方向的至少一種鐵磁物質(以下稱為″自由層″)和不改變磁化方向的至少一種鐵磁物質(以下稱為″固定層(pin layer)″)，並且作為存儲的信息保持其中自由層的磁化方向與固定層的磁化方向相同的第一狀態和其中磁化方向不同的第二狀態。
所述自旋電晶體最好具有注入自旋偏振載流子的第一電極結構；接收自旋偏振載流子的第二電極結構；和控制從第一電極結構導通到第二電極結構的自旋偏振載流子數量的第三電極結構，而所述固定層和自由層被包括在第一至第三電極結構中的任何一個中。
提供一種存儲電路，它具有排列成矩陣的自旋電晶體、連接到第三電極結構的字線；使第一電極結構接地的第一導線；和連接到第二電極結構的位線。多條字線沿著列方向延伸。多條位線沿著與位線交叉的方向(行方向)延伸。自旋電晶體排列在字線和位線的交叉點附近。
所述存儲器電路通過使電流流到所述自旋電晶體上處在電氣上彼此絕緣狀態的交叉的另一個第一導線和另一個第二導線而感生的磁場，使自由層的磁化倒轉，以便改變自由層和固定層的相對磁化狀態，來存儲(或重寫)信息。
可以使用字線和位線或使用字線和位線中任何一個來代替另一個第一導線和另一個第二導線，或另一個第一導線和另一個第二導線中的任何一個。
所述存儲器電路可以根據被包括在所述自旋電晶體中的自由層和固定層具有平行磁化時自旋電晶體的輸出特性來讀出信息。
提供存儲器電路，其中，在每一條位線的一端形成輸出端子並且設置從每一條位線分支出來並通過負載連接到電源的第二導線。
在這種情況下，可以通過根據負載的電壓降獲得的輸出電壓來讀出信息，所述負載的電壓降是由在所述自旋電晶體的第一和第二電極結構之間產生的取決於所述自由層和所述固定層的相對磁化狀態的電流引起的。
利用上述電路可以提供一種高速高集成密度的非易失存儲器電路，它可以通過負載和電源來設計與電晶體的磁化狀態相應的輸出電壓。
附圖的簡要說明圖1(A)和1(B)是表示按照所述實施例的自旋濾波電晶體的結構的示意圖，其中圖1(A)是示意的剖面圖，而圖1(B)是圖1(A)所示結構的導帶(或價帶)的能帶示意圖，圖中示出阻擋層自旋能帶的自旋方向。
圖2(A)和2(B)是按照所述實施例在自旋濾波電晶體的發射極(第一非磁性電極層)、基極(第二非磁性電極層)和集電極(第三非磁性電極層)之間施加基極接地偏壓時的能帶的示意圖，其中圖2(A)表示第一和第二鐵磁阻擋層的磁化方向彼此平行的情況，而圖2(B)表示第一和第二鐵磁阻擋層的磁化方向彼此反平行的情況。
圖3(A)和3(B)是表示按照所述實施例的自旋濾波電晶體基極接地時的靜態特性示意圖，其中水平軸以所述圖中的向右的方向向表示集電極-基極電壓VCB，而以其向左的方向向表示發射極-基極電壓VEB，而垂直軸表示發射極電流IE、基極電流IB和集電極電流IC，其中圖3(A)表示發射極和集電極的鐵磁阻擋層之間的磁化狀態是平行磁化的情況的特性，而圖3(B)表示它是反平行磁化的情況的特性；圖4(A)是表示利用按照所述實施例的自旋濾波電晶體1的存儲單元結構實例的示意圖，圖4(B)是表示存儲器電路的結構實例的示意圖，而圖4(C)是示意圖，其中垂直軸表示集電極電流IC，水平軸表示集電極-發射極電壓VCE和自旋濾波電晶體1的IC-VCE特性，並且在同一圖中還示出負載電阻的負載直線。
圖5(A)是示意地表示電流驅動型自旋電晶體輸出特性實例的示意圖，而圖5(B)是示意地表示電壓驅動型自旋電晶體輸出特性實例的示意圖；
圖6(A)是表示利用按照所述實施例電壓驅動型自旋電晶體的存儲單元結構實例的示意圖，圖6(B)是表示存儲器電路結構實例的示意圖，而圖6(C)是其中垂直軸表示漏極電流ID，水平軸表示漏極-源極電壓VDS的示意圖，並且同一圖中示出電壓驅動型自旋電晶體150的ID-VDS特性和有源負載的負載曲線；圖7是表示熱電子電晶體型自旋電晶體的結構實例的能帶示意圖；圖8是表示利用熱分離注入(heat release injection)的熱電子電晶體型自旋電晶體的結構實例的示意圖；圖9是表示利用自旋濾波器效應的熱電子電晶體型自旋電晶體結構實例的能帶示意圖；圖10是表示隧道基極電晶體型自旋電晶體的結構實例的能帶示意圖；圖11是表示MOS電晶體型自旋電晶體結構實例的剖面圖；圖12是表示調製攙雜電晶體型自旋電晶體結構實例的剖面圖；圖13是表示具有鐵磁半導體溝道的MOS電晶體型自旋電晶體的結構實例剖面圖；圖14是表示具有一種結構的自旋晶體結構實例的剖面圖，在所述結構中向設置在鐵磁源極和鐵磁漏極之間的非磁性絕緣隧道勢壘提供柵極絕緣膜和柵極；圖15是表示具有一種結構的自旋電晶體的結構實例的剖面圖，在所述結構中向設置在鐵磁源極和鐵磁漏極或非磁性漏極之間的絕緣鐵磁隧道勢壘提供柵極絕緣膜和柵極；圖16(A)是表示具有共享源極結構的存儲單元的結構實例的示意圖；圖16(B)是表示具有共享源極結構的存儲單元的剖面結構實例的示意圖；以及圖17(A)是表示利用MTJ的典型MRAM結構的示意圖，而圖17(B)是表示MTJ工作原理的示意圖。
本發明的最佳實施方式按照本發明的電晶體具有自旋注入器，用於注入具有指定自旋方向的自旋偏振熱載流子；和自旋分析器，用於按照自旋方向選擇所述注入的自旋偏振熱載流子。自旋注入器具有第一鐵磁阻擋層，它具有允許出現諸如Fowler-Nordheim隧道或直接隧道的隧道效應的厚度；與第一鐵磁阻擋層一個端面結合的第一非磁性電極層；以及與第一鐵磁阻擋層的另一個端面結合的第二非磁性電極層。自旋分析器具有第二鐵磁阻擋層；與第二鐵磁阻擋層一個端面結合的第二非磁性電極層；以及與第二鐵磁阻擋層的另一個端面結合的第三非磁性電極層，並且自旋分析器與自旋注入器共享所述第二非磁性電極層。第二非磁性電極層的厚度最好低於非磁性電極層自旋偏振熱載流子的平均自由程。
上述結構可與已知的熱電子電晶體相比較。第一非磁性電極層和第一鐵磁阻擋層相當於發射極和發射極阻擋層。第二非磁性電極層對應於基極。第二鐵磁阻擋層和非磁性電極層相當於集電極阻擋層和集電極。
第一和第二鐵磁阻擋層包括絕緣鐵磁半導體或鐵磁絕緣體。鐵磁阻擋層的能帶是通過磁交換互作用而自旋分裂的。只有上自旋能帶或只有下自旋能帶通過自旋分裂而存在於能帶邊緣。其中只有所述各自旋能帶之一存在的能量寬度稱為自旋分裂寬度。
按照自旋注入器的自旋濾波效應，在諸如Fowler-Nordheim(FN)隧道或通過第一非磁性電極層和第二非磁性電極層向第一鐵磁阻擋層施加電壓而產生的直接隧道中，其自旋方向(當載流子是電子時，指與第一鐵磁阻擋層的磁化反平行的自旋方向，而當載流子是空穴時，指與第一鐵磁阻擋層的磁化平行的自旋方向)與第一非磁性電極層載流子第一鐵磁阻擋層能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向匹配的載流子穿過隧道的機率大；而其自旋方向(當載流子是電子時，指與第一鐵磁阻擋層的磁化平行的自旋方向，而當載流子是空穴時，指與第一鐵磁阻擋層的磁化反平行的自旋方向)與與第一非磁性電極層載流子第一鐵磁阻擋層能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向不匹配的載流子穿過隧道的機率小。
按照自旋分析器的自旋濾波效應，在從自旋注入器把自旋偏振熱載流子注入第二鐵磁阻擋層自旋分裂能帶的情況下，當注入的自旋偏振熱載流子的自旋方向平行於第二鐵磁阻擋層能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向(第一和第二鐵磁阻擋層具有平行磁化)時，所述自旋偏振熱載流子通過第二鐵磁層的自旋能帶導通到第三非磁性電極層，而當所述自旋偏振熱載流子的自旋方向與第二鐵磁阻擋層(第一和第二鐵磁阻擋層具有反平行磁化)的能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向反平行時，所述自旋偏振熱載流子不能通過第二鐵磁阻擋層導通。
按照上述結構，第一非磁性電極層中其自旋方向平行於第一鐵磁阻擋層能帶邊緣上自旋能帶的自旋方向的載流子，作為自旋偏振熱載流子通過諸如Fowler-Nordheim隧道或直接隧道等隧道效應注入第二非磁性電極層。此時，這樣偏置上述電晶體，使得注入自旋偏振熱載流子的能量，大於第二鐵磁阻擋層能帶邊緣處自旋能帶邊緣上的能量，並小於自旋分裂寬度加到自旋能帶邊緣的能量。第二非磁性電極層的厚度低於第二非磁性電極層中自旋偏振熱載流子的平均自由程。注入的自旋偏振熱載流子在不損失能量的情況下抵達第二鐵磁阻擋層。這些自旋偏振熱載流子的能量，大於第二鐵磁阻擋層能帶邊緣處自旋能帶邊緣上的能量，並小於所述自旋分裂寬度加到自旋能帶邊緣上的能量。當注入的自旋偏振熱載流子的自旋方向平行於第二鐵磁阻擋層能帶邊緣上自旋能帶的自旋方向時，第二鐵磁阻擋層中產生的電場引導自旋偏振熱載流子穿過自旋能帶，進入第三非磁性電極層，並變為第三非磁性電極層和第一非磁性電極層之間流動的電流。
當注入的自旋偏振熱載流子的自旋方向反平行於第二鐵磁阻擋層能帶邊緣上自旋能帶的自旋方向時，自旋偏振熱載流子在第二非磁性電極層和第二鐵磁阻擋層的界面上被散射(或反向散射)，並變為在第二非磁性電極層和第一非磁性電極層之間流動的電流。
根據第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向是平行還是反平行，在第一鐵磁阻擋層中流動的電流可以切換到通過第二鐵磁阻擋層在第三非磁性電極層和第一非磁性電極層之間流動的電流，或者通過同一阻擋層在第二非磁性電極層和第一非磁性電極層之間流動的電流。通過第二鐵磁阻擋層流動的電流可以按照第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向控制。與基極接地或發射極接地的已知熱電子電晶體和雙極性電晶體的工作相比，這對應於通過基極電流控制集電極電流。按照所述實施例的電晶體可以按照第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向，控制集電極電流對基極電流的電流放大係數。按照所述實施例的電晶體可以控制電流放大係數，並可以按照第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向以及基極電流(或第一和第二非磁性電極之間的偏壓)控制集電極電流的電流放大係數。
改變第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的矯頑力或固定所述各磁化方向之一。施加具有適當強度的磁場(在此磁場強度下第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的磁化方向中的任何一個倒轉)，以便任意改變第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向，使之平行或反平行。換句話說，可以把信息存儲在所述電晶體中。
可以利用所述電晶體來構成存儲單元。現將描述利用按照所述實施例的電晶體的非易失存儲器的實例。按照所述實施例的電晶體的第二非磁性電極層連接到字線。所述電晶體第三非磁性電極層連接到位線。位線通過負載連接到電源，使所述電晶體的第一非磁性電極層接地。按照所述結構，通過向第二非磁性電極層施加偏置來選擇指定的字線。選擇指定的位線以便檢測輸出電壓(在第三非磁性電極邊緣上產生的電壓)。所述輸出電壓按照所述電晶體第一鐵磁阻擋層和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向改變，所述相對磁化方向是平行時，輸出電壓小。相對磁化方向是反向平行時，輸出電壓較大。可以根據輸出電壓的振幅讀出存儲的信息。
在上述非易失存儲器中，按照所述實施例的電晶體用作發射極接地的電晶體，電源和負載加在集電極上，而集電極電壓是輸出電壓。通過作為源極電壓和負載的外圍電路，可以把第一和第二鐵磁阻擋層具有平行磁化時的輸出電壓以及它們具有反平行磁化時的輸出電壓設計為所需值。利用上述非易失存儲器，通過施加偏壓可以解決利用MTJ的MRAM中隧道電阻小和輸出電壓小，TMR比率小和存儲的信息難以識別，以及輸出電壓的比率較小的問題。
現將參照附圖詳細描述所述電晶體的結構和操作。為了易於理解以下描述，把按照所述實施例的電晶體稱為自旋濾波電晶體。
圖1(A)和1(B)是表示按照所述實施例的自旋濾波電晶體的結構的示意圖，其中圖1(A)是示意的剖面圖，而圖1(B)是圖1(A)中所示結構的導帶(或價帶)的能帶示意圖，圖中示出阻擋層自旋能帶的自旋方向。當載流子是空穴時，能帶邊緣上的自旋方向與所述磁化方向一致。當載流子是電子時，能帶邊緣上的自旋方向與磁化方向相反。
按照所述實施例的自旋濾波電晶體1具有自旋注入器5和自旋分析器8；所述自旋注入器5具有第一鐵磁阻擋層2、與第一鐵磁阻擋層2的一個端面結合的第一非磁性電極層3以及與第一鐵磁阻擋層2的另一個端面結合的第二非磁性電極層4；所述自旋分析器8具有第二鐵磁阻擋層6、與第二鐵磁阻擋層6一個端面結合的第二非磁性電極層4以及與第二鐵磁阻擋層6的另一個端面結合第三個非磁性電極層7。正如從圖1(A)顯然看出的，自旋注入器5和自旋分析器8共享第二非磁性電極層4。
作為第一、第二和第三非磁性電極層3、4和7，可以使用非磁金屬、n-型非磁性半導體或p-型非磁性半導體。第二非磁性電極層4的厚度最好低於從自旋注入器注入的自旋偏振熱載流子在第二非磁性電極層4中的平均自由程。基極寬度比平均自由程短，以便允許電流傳輸係數為0.5或更大。可以獲得電流放大功能。
作為第一和第二鐵磁阻擋層2和6，可以使用絕緣鐵磁半導體或鐵磁絕緣體。鐵磁阻擋層的能帶是通過磁交換互作用而自旋分裂的。可以在所述能帶邊緣上形成其中只存在上自旋或只有下自旋的能量區。自旋偏振能帶稱為自旋能帶。所述能量區的寬度稱為自旋分裂寬度Δ。
如圖1(B)所示，用指向鐵磁阻擋層2和6的箭頭↑表示的實線標示其中可以存在上自旋的能帶邊緣，也就是說，上自旋能帶邊緣9。用指向鐵磁阻擋層2和6的箭頭↓表示的實線標示其中可以存在下自旋的能帶邊緣，也就是說，下自旋能帶邊緣10。圖1(B)中的上自旋能帶邊緣9和下自旋能帶邊緣10之間的部分是其中只可以存在上自旋的區域。其能量高於下自旋能帶邊緣10的區域是其中上自旋和下自旋都可以存在的區域。圖1(B)表示上自旋的自旋能帶低於下自旋的自旋能帶的情況。相反的狀態也是可能的。
第一鐵磁阻擋層2具有這樣一個厚度，使得其中可以通過諸如Fowler-Nordheim隧道(以下稱為FN隧道)或直接隧道等隧道效應，通過施加於第一非磁性電極層3和第二非磁性電極層4的電壓，把載流子從第一非磁性電極層3輸送到第二非磁性電極層4。直接隧道是指這樣一種現象，其中載流子直接穿過薄的勢壘輸送。FN隧道是指這樣一種現象，其中在某個外加電壓以下直接隧道造成的隧道電流可以忽略不計，而載流子藉助隧道效應穿過由施加某個數值以上的電壓而產生的勢壘上部的三角形電勢。
施加於第一非磁性電極層3和第二非磁性電極層4的電壓可以是用於典型的存儲器電路的電壓範圍，例如，大約為幾百毫伏到幾伏。第二鐵磁阻擋層6的厚度必須是這樣的厚度，使得從第二非磁性電極層4到第三非磁性電極層7不出現載流子的熱分離和由所述隧道引起的電流(所謂漏電流)。
非磁性電極層3、4和7以及鐵磁電極層2和6形成圖1(B)所示的能帶結構。圖1(B)中非磁性電極層部分的實線11顯示金屬的Fermi能量、n-型(p-型)半導體的Fermi能量或導帶底端的能量(價帶的頂部)。鐵磁阻擋層2和6到非磁性電極層部分的實線11的較低的能量勢壘5用Φc表示，而自旋分裂寬度用Δ表示。鐵磁阻擋層2和6可以具有不同的Φc和Δ。下面將示出鐵磁阻擋層2和6具有相同Φc和Δ的情況。當載流子是電子時，非磁性金屬或n-型半導體用作非磁性電極層3、4和7，而用絕緣鐵磁半導體或鐵磁絕緣體作鐵磁阻擋層2和6。在這種情況下，鐵磁阻擋層2和6的上自旋能帶邊緣9和下自旋能帶邊緣10是這樣的自旋能帶邊緣其中導帶的底端是自旋分裂的。當載流子是空穴時，用p-型半導體作非磁性電極層3、4和7，並用絕緣鐵磁半導體或鐵磁絕緣體作鐵磁阻擋層2和6。在這種情況下，鐵磁阻擋層2和6的上自旋能帶邊緣9和下自旋能帶邊緣10是這樣的自旋能帶邊緣，其中價帶的頂部是自旋分裂的。
現將詳細描述自旋濾波電晶體的工作原理。在以下的描述中，為了簡化描述，同時使用熱電子電晶體標記。第一非磁性電極層3和第一鐵磁阻擋層2稱為發射極21。第二非磁性電極層4稱為基極22。第二鐵磁阻擋層6和第三非磁性電極層7稱為集電極23。第一非磁性電極層3稱為發射極3。第三非磁性電極層7稱為集電極7。現將描述載流子為電子時的情況的一個實例(當載流子是空穴時工作原理基本相同，故此描述從略)。
圖2(A)和2(B)是當按照所述實施例的自旋濾波電晶體的發射極、基極和集電極之間施加基極接地偏壓時的能帶示意圖，其中圖2(A)表示第一和第二鐵磁阻擋層的磁化方向彼此平行的情況，而圖2(B)表示第一和第二鐵磁阻擋層的磁化方向彼此反平行並與圖2(A)對應的情況。偏壓VEB施加在發射極21和基極22之間。偏壓VCB施加在基極22和集電極23之間。VEB的振幅設置為滿足(Φc＜qVEB＜Φc+Δ)的方程關係。Q為電荷量。
發射極21用作自旋注入器，把自旋偏振熱電子注入基極22。當偏壓VEB通過隧道把載流子從發射極3通過第一鐵磁阻擋層2輸送，第一鐵磁阻擋層2的導帶自旋分裂，而存在於發射極3中的上自旋電子24和下自旋電子25對所述勢壘高度的感覺是不同的。圖2(A)中，上自旋電子24感覺的勢壘高度是對第一鐵磁阻擋層2的上自旋能帶邊緣9的能量，也就是說，Φc。下自旋電子25感覺的勢壘高度是第一鐵磁阻擋層2的下自旋能帶邊緣10的能量，也就是說，Φc+Δ。控制基極-發射極電壓可以選擇性地把其自旋具有較低感覺勢壘高度的電子，在這種情況下就是具有上自旋的電子24以熱電子的形式隧道注入到基極22中(所述現象稱為自旋濾波效應)。
自旋濾波電晶體的集電極23用作自旋分析器，選擇注入基極22的自旋偏振熱電子的方向。通過偏壓VEB變熱並注入基極22的自旋偏振熱電子26，因為基極22的寬度設置得低於自旋偏振熱電子26的平均自由程，所以可以以彈道方式(ballistically)在不損失能量的情況下達到基極22和集電極23的界面。在集電極23的第二鐵磁阻擋層6中，通過所述導帶的自旋分裂出現兩個具有不同的勢壘高度的勢壘。如圖2(A)所示，當第一和第二鐵磁阻擋層2和6的磁化方向彼此平行時，其自旋與自旋偏振熱電子26的自旋平行的第二鐵磁阻擋層6的上自旋能帶邊緣9，其能量低於自旋偏振熱電子26能量。自旋偏振熱電子26被引導穿過第二鐵磁阻擋層6，到達集電極7，成為集電極電流IC。
如圖2(B)所示，第一和第二鐵磁阻擋層2和6的磁化方向彼此反平行時，具有下自旋的自旋偏振熱電子27注入基極22。具有下自旋的第二鐵磁阻擋層6的下自旋能帶邊緣10，其能量高於所述自旋偏振熱電子27的能量。所述自旋偏振熱電子27不能通過第二鐵磁阻擋層6的導帶，在基極22和集電極23的界面上發生與自旋有關的散射(或反散射)，損失能量，變為基極電流IB。
從發射極流到集電極的電流，其電流傳輸係數取決於發射極22的第一鐵磁阻擋層2和集電極23的第二鐵磁阻擋層6的相對磁化方向而非常不同。換句話說，集電極電流對基極電流的電流放大係數非常不同。
圖3(A)和3(B)是表示按照所述實施例的自旋濾波電晶體基極接地時的靜態特性的示意圖，其中水平軸在所述圖中的向右的方向表示集電極-基極電壓VCB，而在其向左的方向表示發射極-基極電壓VEB，而垂直軸表示發射極電流IE、基極電流IB和集電極電流IC，其中圖3(A)表示發射極和集電極的鐵磁阻擋層之間的磁化狀態是平行磁化的情況的特性，而圖3(B)表示它是反平行磁化的情況的特性。在圖3(A)和3(B)中，α是電流傳輸係數，β是電流放大係數，而下標↑↑和↓↑表示發射極和集電極的鐵磁阻擋層的相對磁化方向平行的情況和它們反平行的情況。
如圖3(A)所示，當發射極和集電極的磁化方向平行時，大部分發射極電流IE可以是集電極電流IC。如圖3(B)所示，當磁化方向反平行時，大部分發射極電流IE可以成為基極電流IB，類似於已知熱電子電晶體或雙極性電晶體，按照所述實施例的電晶體可以用基極電流IB控制集電極電流IC，可以按照第一和第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向控制電流放大係數。
作為按照所述實施例的自旋濾波電晶體的鐵磁阻擋層，可以使用諸如EuS，EuSe和EuO等鐵磁半導體。還可以使用諸如R3Fe5012(R表示稀土元素)等鐵磁絕緣體。作為非磁性電極層可以使用非磁性物質。例如，可以使用以高密度作為雜質攙雜的諸如Al或Au等金屬或諸如Si或GaAs等非磁性半導體。用EuS作鐵磁阻擋層，用Al作非磁性電極層時，勢壘高度Φc＝1.4eV，而自旋分裂寬度Δ＝0.36eV。按照所述實施例的的自旋濾波電晶體可以利用上述材料通過已知的分子束外延生長法、真空澱積法和濺射法製造。
現將以存儲單元的形式描述利用本發明的自旋濾波電晶體的非易失存儲器。
圖4(A)是表示利用按照所述實施例的自旋濾波電晶體1的存儲單元結構實例的示意圖。在圖4(A)所示的存儲單元中，若干個自旋濾波電晶體排列成矩陣，發射極端子E接地，以便把集電極端子C和基極端子B連接到讀出位線BL和讀出字線WL。重寫字線和重寫位線在與其它導線處於電氣絕緣的狀態下在自旋濾波電晶體上排列成彼此交叉。可以使用讀出位線BL和讀出字線WL作為重寫字線和重寫位線。圖4(A)是表示所述種情況的單元結構的示意圖。圖4(A)中，存儲單元可以只用自旋濾波電晶體構成，並且可以具有很簡單的布線結構。可以容易地構成適用於高密度集成的布置。相同的單元結構用於圖4(B)。
現將參照圖4(B)描述按照所述實施例的存儲器電路。在按照所述實施例的存儲器電路41中，第二非磁性電極4作為自旋濾波電晶體1(圖1)的基極連接到字線42，第三非磁性電極7作為自旋濾波電晶體1的集電極連接到位線43，位線43通過負載(RL)44連接到電源(VCC)45，而第一非磁性電極3作為自旋濾波電晶體1的發射極接地。用純電阻作負載。可以使用利用電晶體的有源負載。
為了讀出指定存儲單元存儲的信息，選擇指定的字線，在發射極和基極之間施加偏壓，通過負載電阻44向位線43施加電源45的電源電壓VCC，按照出現在位線43上的輸出電壓V0的振幅讀出存儲的信息。圖4(C)中，垂直軸表示集電極電流IC，水平軸表示集電極-發射極電壓VCB，在同一圖中示出所述自旋濾波電晶體的IC-VCE特性和負載電阻44的負載直線46。
根據這些特性曲線的交點確定輸出電壓V0。如圖4(C)所示，其中第一和第二鐵磁阻擋層2和6的相互磁化狀態為平行和反平行的輸出電壓是Vo↑↑和Vo↓↑。Vo↑↑和Vo↓↑的絕對值和Vo↑↑和Vo↓↑的比率可以通過電路參數(RL和Vcc)優化。與MTJ不同，在不調整裝置本身結構的情況下，按照所述實施例的非易失存儲裝置可以獲得具有所必需的振幅的輸出信號和輸出信號的比率。
用於按照所述實施例的電晶體中的自旋濾波效應是一種利用鐵磁物質能帶自旋分裂的效應，並具有高於MTJ的TMR效應的自旋選擇本領。當把基極寬度設置成低於自旋偏振熱載流子的平均自由程並且第一和第二鐵磁阻擋層之間的相對磁化狀態為平行磁化時，電流傳輸係數α(由IC/IE定義)可以是0.5或更高。當它是反平行磁化時，電流傳輸係數很小。從電流放大係數β(由IC/IB定義)看，在平行磁化和反平行磁化的情況下電流傳輸係數的改變還可以進一步放大。上述外圍電路針對其中磁化狀態差異巨大的自旋濾波電晶體輸出特性優化輸出信號。可以容易地獲得所需的輸出信號絕對值和所需的輸出信號比率。
現將描述一種利用其輸出特性隨載流子自旋方向而定的電晶體(以下稱為″自旋電晶體″)的非易失存儲器電路。
按照本發明的存儲器電路涉及一種利用自旋電晶體的非易失存儲器電路。所述自旋電晶體包括諸如鐵磁金屬和鐵磁半導體等鐵磁物質，並按照磁化狀態控制載流子的自旋方向，以便改變所述輸出特性。根據鐵磁物質的磁化狀態在所述自旋電晶體中存儲信息，利用反映磁化狀態的電晶體輸出特性來讀出所述信息。一位非易失存儲單元可以用一個自旋電晶體構成。可以通過連接到所述存儲單元的外圍電路來優化關於所述存儲信息的輸出信號的數值。
更詳細地說，所述自旋電晶體具有能夠通過磁場獨立地控制磁化方向的至少一個鐵磁層(自由層)和其中磁化方向是固定的或其矯頑力大於自由層的矯頑力的至少一個鐵磁層(固定層)，並且所述自旋電晶體是一種能夠在相同的偏置下按照自由層和固定層的相對磁化方向控制電晶體輸出特性的電晶體。通過磁場改變自由層的磁化方向。自由層和固定層的相對磁化狀態可以是平行磁化和反平行磁化的兩種磁化狀態。兩種磁化狀態對應於存儲的二進位信息。
自旋電晶體可以根據諸如與自旋有關的散射、隧道磁電阻效應和自旋濾波效應等隨流子的自旋方向而改變的導電現象獲得與所述電晶體內的磁化狀態相應的輸出特性。自旋電晶體具有注入自旋偏振載流子的第一電極結構、接收自旋偏振載流子的第二電極結構和控制從第一電極結構導通到第二電極結構的自旋偏振載流子數量的第三電極結構。
自旋電晶體是基於與典型電晶體相同的工作原理工作的，例外的是導電現象取決於自旋。自旋電晶體可以分類為諸如雙極性電晶體等的電流驅動型電晶體或諸如場效應電晶體等的電壓驅動型電晶體。在電流驅動型電晶體中，第一電極結構對應於發射極，第二電極結構對應於集電極，而第三電極結構對應於基極。在所述實施例中描述的自旋濾波電晶體分類為電流驅動型。在電壓驅動型電晶體中，第一電極結構對應於源極，第二電極結構對應於漏極，而第三電極結構對應於柵極。在相同的偏置下，在自旋電晶體中的輸出電流(集電極電流或漏極電流)是按照包括在所述自旋電晶體中的鐵磁物質的磁化狀態而改變的。
現將描述所述自旋電晶體的細節。將描述自旋電晶體和一種利用自旋電晶體的非易失存儲器的典型輸出特性。可以利用施加在自旋電晶體中的自由層的磁場來實現自由層和固定層的相對磁化狀態的平行磁化或反平行磁化。磁化狀態可以穩定地存在，除非施加了一個高於自由層矯頑力的磁場。
圖5(A)示意地表示電流驅動型自旋電晶體的輸出特性的實例。類似於典型電流驅動型電晶體，可以按照基極電流IB的振幅來控制集電極電流IC。集電極電流的振幅取決於包括在所述自旋電晶體中的鐵磁物質的磁化狀態。圖5(A)中，當向所述自旋電晶體施加相同的偏置(IB＝IB1)，平行磁化時集電極電流IC↑↑大，反平行磁化時集電極電流IC↓↑小。
圖5(B)示意地表示電壓驅動型自旋電晶體輸出特性的一個實例。類似於諸如典型的MOS電晶體等場效應電晶體，當柵極-源極電壓(VGS)小於閾值VT(VGS＜VT)時，自旋電晶體處於非導通狀態，於是幾乎不產生漏極電流。施加高於VT的VGS時，所述自旋電晶體便進入導通狀態。在相同偏置(VGS＝VGS1)下，當包括在所述自旋電晶體中的鐵磁物質具有平行磁化或反平行磁化時，漏極電流值不同。圖3(B)中，在具有平行磁化的情況下，漏極電流ID↑↑大，而在具有反平行磁化的情況下，漏極電流ID↓↑小。
自旋電晶體可以根據集電極電流或漏極電流的振幅在電氣上檢測出包括在所述電流驅動型和電壓驅動型器件中自由層和固定層的相對磁化方向。正如上面描述的，鐵磁物質可以穩定地保持其磁化方向，除非從外面施加一個高於所述自由層矯頑力的磁場。自旋電晶體可以通過允許包括在所述器件中的自由層和固定層的相對磁化狀態是平行磁化的或是反平行磁化，以非易失的方式存儲二進位信息。一位非易失存儲單元可以用一個自旋電晶體構成。
現將以利用電壓驅動型自旋電晶體的情況為例，詳細描述利用自旋電晶體的非易失存儲器。利用電流驅動型自旋電晶體作為存儲單元的非易失存儲器可以用相同的方式構成。
圖6(A)是表示利用自旋電晶體的存儲單元結構實例的示意圖，圖6(B)是表示基於所述存儲單元的存儲器電路結構實例的示意圖。圖6(A)和6(B)的關係與圖4(A)和4(B)的關係相同。在圖6(A)所示的存儲單元中，若干個自旋電晶體150排列成矩陣，源極S接地，以便分別把漏極D和柵極G連接到讀出位線BL和讀出字線WL。重寫字線和重寫位線在所述自旋電晶體150上排列成彼此交叉，處於在電氣上與其它導線絕緣的狀態下。可以使用讀出位線BL和讀出字線WL作為重寫字線和重寫位線。圖6(A)和6(B)是表示所述情況的結構示意圖。在圖6(A)和6(B)中，存儲單元可以用一個自旋電晶體構成並可以具有非常簡易的布線結構。
具體地說，在具有類似於MOS電晶體的形式的電壓驅動型自旋電晶體中，在相鄰存儲單元之間源極是共享的。可以容易地構成適合於微加工的布局。
重寫/讀出位線和重寫/讀出字線簡稱為位線BL和字線WL。
重寫信息的方法如下使電流流到在選定的存儲單元上交叉的位線BL和字線WL，以便利用由流到各自導線的電流感生的合成磁場來使所述選定的存儲單元的自由層倒轉。在這種情況下，為了使連接到與選定的單元相同位線BL或字線WL上的非選定的單元不倒轉磁化，要這樣設置流到各自導線的電流值，使得在由所述各導線之一引起的磁場中不發生磁化倒轉。
讀取信息時，向連接到選定單元的字線WL施加電壓，以便所述所述自旋電晶體導通，然後向所述位線施加電壓，檢測漏極電流的振幅。根據所述漏極電流的振幅，可以檢測出自由層和固定層的相對磁化狀態。
圖6(B)是存儲器電路，它連接到輸出端Vo和從輸出端Vo通過負載分支到圖6(A)所示的存儲器電路位線一端的源極電壓VDD。圖6(C)表示圖6(B)所示的存儲單元的靜態特性和工作點。這裡，用由抑制型(depression type)MOS電晶體形成的有源負載160作為負載。如圖4(B)所示，可以使用純電阻。如圖6(C)所示，讀取信息時在自旋電晶體150的柵極上施加柵極電壓VGS，以便通過所述負載把源極電壓VDD施加在位線BL上，有源負載的工作點按照固定層和自由層的磁化狀態，在圖6(C)中的負載曲線上移動(圖中p11和p12)。平行磁化和反平行磁化時的輸出信號Vo是圖中的Vo↑↑和Vo↓↑。各自輸出信號的絕對值和(VD↑↑/Vo↓↑)的比率可以用有源負載的電晶體特性和外圍電路的參數諸如VDD優化。例如，優化所述自旋電晶體的靜態特性和有源負載的負載曲線的交點。當漏極電流比率I0↑↑/Io↓↑小時，可以獲得大的輸出信號比率。當存儲單元改變I0↑↑和Io↓↑的數值，而有源負載的飽和電流大於Io↓↑而小於I0↑↑時，輸出電壓幾乎無法改變。因為不使用讀出放大器來讀取信息，故可能高速讀取。所述存儲器電路具有以下優點可以容易獲得所需振幅的輸出信號，並可能高速讀出。
在利用先有技術MTJ和MOS電晶體的存儲單元中，按照MTJ的電阻用讀出放大器讀出輸出電壓。輸出電壓由流到MTJ的電流值和MTJ的阻抗(結電阻)確定。輸出電壓比率不能用外圍電路自由調整。
現將參照附圖描述可以應用於按照所述實施例的非易失存儲器電路的自旋電晶體結構。FM是鐵磁金屬的縮寫，FS是導電鐵磁半導體的縮寫，IFS是絕緣鐵磁半導體的縮寫，而NM是非磁性物質的縮寫。NM金屬表示非磁性金屬，而NM半導體表示非磁性半導體。現將描述電流驅動型自旋電晶體。
圖7是熱電子電晶體型自旋電晶體的能帶示意圖。自旋電晶體200具有由FM或FS製成的發射極201和基極205。更詳細地說，自旋電晶體200具有由FM(或FS)製成的發射極201、由NM製成的發射極阻擋層203、由FM(或FS)製成的基極205、由NM製成的集電極阻擋層207和由NM製成的集電極211。可以使用非磁性金屬或非磁性半導體作為NM。
在圖7所示的自旋電晶體200中，自旋偏振熱載流子從發射極201通過發射極阻擋層203隧道注入基極205。
當發射極201和基極205具有平行磁化時，注入的自旋偏振熱載流子在基極205中幾乎不發生與自旋有關的散射。當這樣設置基極寬度使得自旋偏振熱載流子可以按彈道方式通過基極205而輸送時，它們穿過集電極阻擋層207到達集電極211。執行與典型熱電子電晶體相同的電晶體操作。
當發射極201和基極205具有反平行磁化時，從發射極201注入基極205的自旋偏振熱載流子由於基極205中與自旋有關的散射而損失能量，變為基極電流，不穿過集電極阻擋層207。當發射極201和基極205具有反平行磁化時，電流傳輸係數比兩者具有平行磁化的情況低。向自旋電晶體200施加相同的偏置時，發射極201和基極205的相對磁化狀態上的差異使電流傳輸係數或電流放大係數不同。適當地選擇集電極阻擋層的勢壘高度，自旋電晶體200可以在室溫下工作。
自旋電晶體200必須具有大的基極寬度，使得與自旋有關的散射可以有效地發揮作用，以便在發射極和基極具有平行磁化的情況下和它們具有反平行磁化的情況下電流傳輸因子的比率增大。當基極寬度加大而發射極和基極具有平行磁化時，電流傳輸係數較小並低於0.5，使得失去放大功能，需要權衡利弊。
圖8是利用熱分離作為向基極自旋注入機制的熱電子電晶體型自旋電晶體的能帶示意圖。如圖8所示，自旋電晶體220具有由FM(或FS)製成的發射極221、由FM(或FS)製成的基極225和設置在兩者之間的由NM製成的發射極阻擋層223。它還具有由NM形成的集電極阻擋層227和在基極225和發射極阻擋層223的結的相反一側由NM形成的集電極231。可以把非磁性半導體用作發射極阻擋層223和集電極阻擋層227。可以把非磁性半導體或非磁性金屬用作集電極231。
在發射極221和發射極阻擋層223之間形成歐姆接觸或隧道接觸。在基極225和發射極阻擋層223之間或基極225和集電極阻擋層227之間形成結，以便具有圖9中所示的能帶不連續性。能帶不連續性可以通過NM半導體和FM之間的Schottky結和NM半導體和FS的異質結實現。或者，由FS和FM形成Schottky結，在這種情況下產生的Schottky勢壘是發射極勢壘，FS是發射極而FM是基極。
通過向基極225施加相對於發射極221的偏置，通過熱分離使從發射極221擴散到發射極阻擋層223的自旋偏振載流子作為熱載流子注入基極225。發射極221和基極225具有平行磁化時，注入基極225的自旋偏振載流子在不發生與自旋有關的散射的情況下抵達集電極。發射極221和基極225具有反平行磁化時，自旋偏振載流子通過與自旋有關的散射變為基極電流。自旋電晶體220利用基極中的與自旋有關的散射。類似於自旋電晶體200，在平行磁化和反平行磁化下電流傳輸因子的比率和平行磁化中電流傳輸係數之間存在權衡利弊的關係。與利用隧道注入的自旋電晶體相比，存在這樣一種特性，即，電流驅動力可以大而且容易實現室溫工作。
圖9是利用自旋濾波效應的熱電子電晶體型自旋電晶體的能帶示意圖。雖然已經詳細描述過，但是現在還要簡短地描述它的特性。圖9中所示的自旋電晶體240具有由IFS製成的發射極阻擋層243和集電極阻擋層247。只有具有發射極阻擋層243的自旋濾波效應造成的自旋的載流子，才可以從NM半導體(或NM金屬)製成的發射極241，選擇性地注入NM半導體(或NM金屬)製成的基極245。把基極寬度設置成低於自旋偏振熱載流子的平均自由程。注入基極245的自旋偏振熱載流子以彈道方式通過基極245導通。此時，向自旋電晶體240提供這樣的偏置，使得自旋偏振熱載流子注入集電極阻擋層247(用圖9中向上箭頭表示的自旋能帶邊緣)的上自旋能帶的能量分裂寬度和下自旋能帶(圖9中的向下箭頭表示的自旋能帶邊緣)。當發射極阻擋層243和集電極阻擋層247具有平行磁化時，注入基極245的自旋偏振熱載流子用具有集電極阻擋層247中的低能量的自旋能帶，通過集電極阻擋層247的自旋濾波效應穿過所述勢壘，並可以傳播到NM半導體(或NM金屬)的集電極251。當發射極阻擋層243和集電極阻擋層247具有反平行磁化時，大部分自旋偏振熱載流子不能靠集電極阻擋層247的自旋濾波效應穿過集電極阻擋層247，變為基極電流。
在自旋電晶體240中，電流傳輸係數(或電流放大係數)按照發射極阻擋層243和集電極阻擋層247的相對磁化方向而不同。自旋濾波效應具有很大的自旋選擇本領。在所述電晶體中，平行磁化和反平行磁化時的電流傳輸因子的比率增大。自旋電晶體240可以充分地減小基極寬度。與利用圖7和8所示的與自旋有關的散射的自旋電晶體不同，有以下優點在電流放大係數和自旋選擇本領之間對基極寬度不存在權衡利弊的關係。
圖10是隧道基極電晶體型自旋電晶體的能帶示意圖。如圖10所示，在隧道基極電晶體型自旋電晶體260中，p-型(或n-型)FS用作發射極261和集電極265，而n-型(或p-型)NM半導體用作隧道基極263。最好使用II型異質結，使得基極263是在發射極和基極之間以及在基極和集電極之間對空穴(或電子)的勢壘。基極寬度較小，以便產生從發射極到集電極的隧道電流。
在圖10中所示的結構中，當發射極261和集電極265具有平行磁化時，具有發射極的若干自旋的載流子可以容易地穿過隧道到達集電極265，並且隧道電導率高。當發射極261和集電極265具有反平行磁化時，由於隧道磁阻效應(TMR效應)隧道電導電率低。集電極電流的振幅可以按照發射極261和集電極265的相對磁化狀態控制。
當自旋電晶體260中的TMR比率大時，取決於發射極和集電極的磁化狀態的集電極電流的變化可以增大。為了有效地通過自旋電晶體260呈現TMR效應，當向基極-集電極結施加反偏置時，抑制層最好不擴展到集電極側。當抑制層擴展到基極側時，在集電極電流的飽和特性上存在出現問題的可能性。
當基極層以高密度攙雜，使得自旋電晶體260中的抑制層不展寬到基極層，而基極-集電極結的抑制層擴展到集電極側時，不能期望基極中的TMR效應和注入集電極的載流子通過集電極中的與自旋有關的散射而產生電阻。利用與自旋有關的散射可以改變集電極電流按照發射極和集電極的磁化狀態的振幅。與自旋有關的散射造成的電阻變化小。與利用TMR效應相比，效應可能不高。現將參照附圖描述電壓驅動型自旋電晶體。
圖11是表示MOS電晶體型自旋電晶體的剖面結構的示意圖。如圖11所示，MOS電晶體型自旋電晶體300具有這樣一種結構，其中源極303由FM製成，漏極305由FM製成，而柵極311通過柵極絕緣膜307在NM半導體301上形成。用FM和NM半導體的Schottky結作為源極303和漏極305。其它結構與典型的MOS電晶體相同。
從源極303注入直接在NM半導體301中柵極絕緣膜307下面形成的溝道的自旋偏振載流子穿過溝道到達漏極305(為簡單起見，以下忽略注入所述溝道的自旋的柵極電場造成的Rashba效應的影響)。當源極303和漏極305具有平行磁化時，注入漏極305的自旋偏振載流子不發生與自旋有關的散射。當它們具有反平行磁化時，在漏極305中產生與自旋有關的散射造成的電阻。
在電晶體300中，跨導依源極和漏極相對磁化方向而不同。
FS還可以用作源極303和漏極305，在它和半導體301之間形成pn結，以形成源極和漏極。
圖12是表示調製攙雜電晶體型自旋電晶體的剖面結構的示意圖。自旋電晶體320具有由FM(或FS)製成的連接到在第一NM半導體321和第二NM半導體327的界面上產生的二維載流子氣體的源極323；由FM(或FS)製成的漏極325；以及柵極331。這與典型的調製攙雜電晶體相同，只是源極323和漏極325由鐵磁物質製成。
自旋偏振載流子從源極323注入由二維載流子氣體形成的溝道333。由於漏極325中與自旋有關的散射的緣故，達到漏極325的自旋偏振載流子按照源極323和漏極325的相對磁化方向而具有不同的跨導。
圖13是利用FS作為溝道區域的MOS電晶體型自旋電晶體的剖面圖。圖13所示的自旋電晶體340具有這樣一種結構，其中通過柵極絕緣膜347在FS 341上形成由FM製成的源極343、由NM(或FM或FS)製成的漏極345和柵極351。FM和FS的Schottky結用作源極343。其它結構與典型的MOS電晶體相同。
自旋偏振載流子從源極343通過Schottky勢壘隧道注入溝道341。通過隧道注入的TMR效應和FS 341的溝道中與自旋有關的散射來實現取決於源極343和FS 341的相對磁化方向的跨導。
在圖14中示出其剖面結構的自旋電晶體360是一種具有插入在由FM(FS)製成的源極361和由FM(或FS)製成的漏極363之間的隧道結結構並且這樣設置柵極371以便向隧道阻擋層365施加電場的自旋電晶體。
最好這樣設置隧道阻擋層365的膜厚度，使得當只在源極和漏極之間施加偏置時不發生Fowler-Nordheim(FN)隧道。通過柵極電壓來改變在源極和漏極之間施加偏置而產生的隧道勢壘能帶邊緣的三角形電勢，以便誘生FN隧道，獲得漏極電流。
從源極361注入的自旋偏振載流子按照源極361和漏極363的相對磁化狀態而在漏極363內發生與自旋有關的散射。可以通過源極和漏極的相對磁化方向來控制所述電晶體的跨導。
圖15中示出其剖面結構的自旋電晶體380用一種由IFS製成的隧道阻擋層385代替圖14中所示的自旋電晶體360的隧道阻擋層。源極381必須是由FM或FS製成的。漏極383不必是鐵磁物質。IFS隧道阻擋層385的勢壘高度按照載流子的自旋方向而不同。當源極381和隧道阻擋層385具有平行磁化時，在源極和漏極之間以及源極和柵極之間施加偏置，使電晶體進入導通狀態。在相同的偏置條件下，當源極381和隧道阻擋層385具有反平行磁化時，從源極381的若干自旋看到的隧道勢壘的高度增大了。自旋偏振載流子的隧穿機率減小，使漏極電流減小。自旋濾波效應的自旋選擇本領很大。利用一種具有大的自旋偏振率的鐵磁物質作為源極381時，跨導按照源極和漏極的相對磁化方向可以發生很大的變化。
上述不同的自旋電晶體可以用作圖4或圖6所示的存儲器電路的存儲單元。
還有可能形成一種結構，其中兩個圖11、14和15中所示的電壓驅動型自旋電晶體的源極作為一個源極共享。圖16(A)是表示具有共享源極結構的存儲單元的結構實例的示意圖。圖16(B)是表示具有共享源極結構的存儲單元的剖面結構實例的示意圖。
圖16(A)和16(B)中所示的存儲單元結構具有彼此相鄰的第一自旋電晶體Tr1和第二自旋電晶體Tr2；可共享地連接第一自旋電晶體Tr1的柵極G1和第二自旋電晶體Tr2的柵極G2的字線WL；連接到第一自旋電晶體Tr1的第一漏極D1的第一位線BL1；連接到第二自旋電晶體的第二漏極D2的第二位線BL2；在第一和第二自旋電晶體Tr1和Tr2之間共享的鐵磁源極S；以及將其接地的導線。利用上述共享源極的結構提供一種適宜於高密度集成的單元結構。
為了在圖11、14和15中所示的電壓驅動型自旋電晶體中，把非導通時的漏電流減到最小，最好使用圖16(B)中所示的具有高絕緣性的SOI襯底。
如上所述，按照本發明所述實施例的自旋濾波電晶體和所述實施例中所示的不同自旋電晶體具有一種能夠按照包括在所述器件中的固定層和自由層的相對磁化方向控制輸出特性的特性。所述相對磁化狀態具有非易失的特性，能夠在不施加電源的情況下保持其狀態。所述相對磁化狀態可以以非易失的方式存儲二進位信息。利用上述輸出特性可以在電氣上檢測所述相對磁化狀態。一位非易失存儲單元可以用一個自旋電晶體構成。利用所述非易失存儲器電路，利用按照所述實施例的自旋電晶體，可以自由地設計輸出信號的振幅和輸出信號對存儲信息的比率。
利用按照本發明所述實施例的自旋電晶體和利用所述種自旋電晶體的存儲器電路，可以提高非易失存儲器電路的工作速度和集成度。
上面通過一些實施例描述了本發明。本發明不限於此。對於本專業的技術人員來說，顯然可以實現各種不同的修改、改進和組合。
工業應用的可能性如上所述，按照本發明的自旋濾波電晶體可以按照鐵磁阻擋層的相對磁化方向極大地改變輸出特性。
利用自旋濾波電晶體和另一個具有與其相同的特性的自旋電晶體作為存儲單元的非易失存儲器電路可以按照包括在所述電晶體中的鐵磁物質的相對磁化方向存儲二進位信息，並可以在電氣上檢測所述相對磁化方向。利用本發明的非易失存儲器電路可以自由地設計相對於所述存儲的信息的輸出信號。可以實現一種只用一個電晶體構成一位非易失存儲單元以高密度集成的高速非易失存儲器電路。
權利要求
1.一種電晶體，它包括通過自旋濾波效應注入自旋偏振熱載流子的自旋注入器和通過自旋濾波效應選擇所述注入的自旋偏振熱載流子的自旋分析器。
2.如權利要求1所述的電晶體，其中所述自旋注入器具有第一鐵磁阻擋層，它能夠通過在其兩端施加電壓而使載流子通過隧道；第一非磁性電極層，它與所述第一鐵磁阻擋層的一個端面結合；以及第二非磁性電極層，它與所述第一鐵磁阻擋層的另一個端面結合。
3.如權利要求1或2所述的電晶體，其中所述自旋分析器具有第二鐵磁阻擋層，所述第二非磁性電極層與所述第二鐵磁阻擋層的一個端面結合；以及第三非磁性電極層，它與所述第二鐵磁阻擋層的另一個端面結合，並且所述自旋分析器與所述自旋注入器共享所述第二非磁性電極層。
4.如權利要求2或3所述的電晶體，其中所述第一和第二鐵磁阻擋層包括鐵磁半導體或鐵磁絕緣體。
5.如權利要求1到4中任何一個所述的電晶體，其中所述第二非磁性電極層的厚度小於所述第二非磁性電極層的自旋偏振熱載流子的平均自由程。
6.如權利要求1到5中任何一個所述的電晶體，其中按照所述自旋注入器的自旋濾波效應，在通過向所述第一非磁性電極層和所述第二非磁性電極層施加電壓而產生的載流子的隧道效應中，其自旋方向平行於所述第一非磁性電極層中存在的載流子的所述第一鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋能帶的載流子，其通過隧道的機率大，而其自旋方向反平行於所述第一非磁性電極層中存在的載流子的所述第一鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋能帶的載流子，其通過隧道的機率小。
7.如權利要求1到6中任何一個所述的電晶體，其中按照所述自旋分析器的自旋濾波效應，當從所述自旋注入器注入的自旋偏振熱載流子的自旋方向平行於所述第二鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向時，所述自旋偏振熱載流子被引導通過所述第二鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋能帶，抵達所述第三非磁性電極層，而當所述自旋偏振熱載流子的自旋方向反平行於所述第二鐵磁阻擋層能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向時，所述自旋偏振熱載流子不能抵達所述第三非磁性電極層。
8.如權利要求1到7中任何一個所述的電晶體，其中第一電壓通過第一電源加到所述第一非磁性電極層和所述第二非磁性電極層之間，第二電壓通過第二電源加到所述第二非磁性電極層和所述第三非磁性電極層之間或所述第一非磁性電極層和和所述第三非磁性電極層之間，並且按照所述第一鐵磁阻擋層和所述第二鐵磁阻擋層的相對磁化方向，從所述第一非磁性電極層注入所述第二非磁性電極層和所述第二電源的自旋偏振熱載流子，或者轉換到通過所述第二鐵磁阻擋層和所述第二電源流動的電流，或者轉換到通過所述第二非磁性電極層和所述第一電源流動的電流。
9.如權利要求8所述的電晶體，其中施加所述第一電壓，使得所述注入的自旋偏振熱載流子的能量大於所述第二鐵磁阻擋層的自旋能帶邊緣的能量，並小於自旋分裂寬度加上自旋能帶邊緣的能量。
10.如權利要求9所述的電晶體，其中施加一種磁場，使所述第一鐵磁阻擋層和所述第二鐵磁阻擋層的磁化方向中任何一個倒轉。
11.一種存儲器電路，其中，如權利要求1到10中任何一個所述的電晶體是存儲單元。
12.如權利要求11所述的存儲器電路，其中所述電晶體的第二非磁性電極層連接到字線，所述電晶體的第三非磁性電極層連接到位線，所述位線通過負載連接到電源，以及所述電晶體的第一非磁性電極層接地。
13.一種存儲裝置，它包括電晶體(以下稱為″自旋電晶體″)，它包括鐵磁物質並且具有取決於載流子自旋方向的輸出特性；信息重寫裝置，它通過改變所述鐵磁物質的磁化狀態來把信息重寫到所述自旋電晶體中；和信息讀取裝置，它從所述輸出特性讀取以磁化狀態的形式存儲在所述自旋電晶體中的信息。
14.如權利要求13所述的存儲裝置，其中所述自旋電晶體具有能夠獨立地控制磁化方向的至少一種鐵磁物質(以下稱為″自由層″)和不改變磁化方向的至少一種鐵磁物質(以下稱為″固定層″)，並且所述自旋電晶體保持兩個存儲狀態中的任何一個，其中在第一狀態下，所述自由層和所述固定層具有相同的磁化方向，而在第二狀態下，所述自由層和所述固定層具有不同的磁化方向。
15.一種存儲裝置，其中使用根據權利要求14的自旋電晶體來按照所述固定層和所述自由層的相對磁化方向來存儲信息，並且根據所述自旋電晶體的取決於所述固定層和所述自由層的相對磁化方向的輸出特性，檢出存儲在所述電晶體中的信息。
16.如權利要求14或15所述的存儲裝置，其中所述自旋電晶體具有第一電極結構，用於注入自旋偏振載流子；第二電極結構，用於接收所述自旋偏振載流子；和第三電極結構，用於控制從所述第一電極結構導通到所述第二電極結構的所述自旋偏振載流子的數量；以及所述固定層和所述自由層被包括在所述第一到第三電極結構的任何一個中。
17.一種存儲裝置，它包括一個根據權利要求16的自旋電晶體；使所述第一電極結構接地的第一導線；連接到所述第二電極結構的第二導線；以及連接到所述第三電極結構的第三導線。
18.一種存儲裝置，它包括一個根據權利要求16的自旋電晶體；使所述第一電極結構接地的第一導線；連接到所述第二電極結構的第二導線；連接到所述第三電極結構的第三導線；在所述第二導線的一端形成的輸出端；以及從所述第二導線分出並通過負載連接到電源的第四導線。
19.如權利要求17或18所述的存儲裝置，其中還包括另一個第一導線和另一個第二導線，它們彼此在電氣上絕緣地在所述自旋電晶體上交叉。
20.如權利要求19所述的存儲裝置，其中使用所述第二導線和所述第三導線，或使用所述第二導線和所述第三導線中任何一個，代替所述另一個第一導線和所述另一個第二導線或所述另一個第一導線和所述另一個第二導線中的任何一個。
21.如權利要求19或20所述的存儲裝置，其中通過流動到所述另一個第一導線和所述另一個第二導線或所述第二導線和所述第三導線的電流感生的磁場，使所述自由層的磁化倒轉，以便改變所述固定層和所述自由層的相對磁化狀態，以便重寫信息。
22.如權利要求17或18所述的存儲裝置，其中當把第一偏置加到所述第三導線上，而把第二偏置加到所述第一導線和所述第二導線之間時，根據所述自旋電晶體的輸出特性讀出信息。
23.如權利要求18到22中任何一個所述的存儲裝置，其中當把第一偏置加到所述第三導線時，通過根據在所述電源和所述第一導線及所述負載之間由通過所述自旋電晶體的電流產生的所述負載上的電壓降獲得的輸出電壓讀出信息。
24.一種存儲器電路，它包括根據權利要求16的排列成矩陣的自旋電晶體；使所述第一電極結構中的每一個接地的第一導線；多條字線，它們共享地連接在列方向上排列的所述自旋電晶體的所述第三電極結構；和多條位線，它們共享地連接在行方向上排列的所述自旋電晶體的所述第二電極結構。
25.一種存儲器電路，它包括根據權利要求16的排列成矩陣的自旋電晶體；使所述第一電極結構中的每一個接地的第一導線；多條字線，它們共享地連接在列方向上排列的所述自旋電晶體的所述第三電極結構；多條位線，它們共享地連接在行方向上排列的所述自旋電晶體的所述第二電極結構；在所述位線的一端形成的輸出端；和從所述位線分出並通過負載連接到電源的第二導線。
26.如權利要求24或25所述的存儲器電路，其中還包括另一個第一導線和另一個第二導線，它們彼此在電氣上絕緣地在所述電晶體上交叉。
27.如權利要求26所述的存儲器電路，其中使用所述字線和所述位線或使用所述字線和所述位線中的任何一個，代替所述另一個第一導線和所述另一個第二導線或所述另一個第一導線和所述另一個第二導線中的任何一個。
28.如權利要求26或27所述的存儲器電路，其中通過使電流流到所述另一個第一導線和所述另一個第二導線或所述字線和所述位線而感應一個磁場，使所述自由層的磁化倒轉，以便改變所述自由層和所述固定層的相對磁化狀態，以重寫信息。
29.如權利要求24或25所述的存儲器電路，其中當向所述字線施加第一偏置並在所述第一導線和所述位線之間施加第二偏置時，根據所述自旋電晶體的輸出特性讀出信息。
30.如權利要求25到27中任何一個所述的存儲器電路，其中當向所述字線施加第一偏置時，通過根據在所述電源和所述第一導線及所述負載之間由流過所述自旋電晶體的電流產生的所述負載的電壓降獲得的輸出電壓讀出信息。
31.一種存儲裝置，它包括根據權利要求16的第一和第二自旋電晶體；使在所述第一和第二自旋電晶體之間共享的第一電極結構接地的第一導線；第二和第三導線，它們分別連接所述第一自旋電晶體的第二電極結構和所述第二自旋電晶體的第二電極結構；和第四導線，它連接所述第一自旋電晶體的第三電極結構和所述第二自旋電晶體的第三電極結構。
32.一種存儲器，它包括根據權利要求16的排列成矩陣的多個自旋電晶體；第一導線，它在排列於行方向的多個第一自旋電晶體的行上，以及在排列於行方向上的與在所述列方向上的所述第一自旋電晶體的行相鄰的多個第二自旋電晶體的行上，共享所述多個自旋電晶體的所述第一電極結構，並使之接地；第一位線，它在排列於行方向的多個第一自旋電晶體的行上，共享地連接所述多個自旋電晶體的所述第二電極結構；第二位線，它在與列方向上所述第一自旋電晶體的行相鄰的第二自旋電晶體的行上，共享地連接所述第二電極結構；以及字線，它在排列於列方向的多個自旋電晶體的列上，共享地連接所述多個自旋電晶體的第三電極結構。
33.一種存儲器電路，它包括根據權利要求16的排列成矩陣的多個自旋電晶體；多條第一導線，它們在排列於行方向的多個第一自旋電晶體的行上，並且在排列於行方向上與所述列方向上的所述第一自旋電晶體的行相鄰的多個第二自旋電晶體的行上，共享所述多個自旋電晶體的所述第一電極結構，並使之接地，每隔一行設置一條第一導線；多條第一位線，它們在排列於行方向上的多個第一自旋電晶體的行上，共享地連接所述多個自旋電晶體的所述第二電極結構，每隔一行所述自旋電晶體設置一條第一位線；多條第二位線，它們在與所述列方向上的所述第一自旋電晶體的行相鄰的第二自旋電晶體行上，共享地連接所述第二電極結構，每隔一行所述自旋電晶體設置一條第二位線；以及多條字線，它們在排列於列方向上的多個自旋電晶體的列上，共享地連接所述多個自旋電晶體的第三電極結構。
34.如權利要求20所述的存儲裝置，其中由流動到用以代替所述另一個第一導線和所述另一個第二導線中任何一個的所述第二導線或所述第三導線以及不被所述第二導線或所述第三導線替換的所述另一個第一導線或所述另一個第二導線的電流感生的磁場，使所述自由層的磁化倒轉，以便改變所述固定層和所述自由層的相對磁化狀態，以便重寫信息。
35.如權利要求27所述的存儲器電路，其中由流動到用以替換所述另一個第一導線和所述另一個第二導線中任何一個的所述字線或所述位線以及不被所述字線或所述位線替換的所述另一個第一導線或所述另一個第二導線的電流感生的磁場，改變所述自由層和所述固定層的相對磁化狀態，以便重寫信息。
全文摘要
一種自旋電晶體包括自旋注入器和自旋分析器，所述自旋注入器用於把載流子作為熱載流子從第一非磁性電極注入第二非磁性電極層，所述載流子的自旋平行於構成第一鐵磁阻擋層的能帶邊緣的自旋能帶，所述自旋分析器用於通過第二鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋分裂，當注入第二非磁性電極的自旋偏振熱載流子的自旋方向平行於第二鐵磁阻擋層的能帶邊緣上的自旋能帶的自旋方向時，把熱載流子導通到第三非磁性電極，並且當所述自旋偏振熱載流子的自旋方向與注入所述第二磁性電極的自旋方向反平行時，不把所述熱載流子導通到第三非磁性電極。還提供一種利用所述自旋電晶體的存儲裝置。
文檔編號G11C11/15GK1685526SQ03822480
公開日2005年10月19日 申請日期2003年7月25日 優先權日2002年7月25日
發明者菅原聰, 田中雅明 申請人:科學技術振興機構